Despolarización

El potencial de reposo debe establecerse dentro de una célula antes de que esta pueda despolarizarse. Existen muchos mecanismos mediante los cuales una célula puede establecer un potencial de reposo; sin embargo, existe un patrón típico de generación de este potencial que muchas células siguen. La generación de un potencial de reposo negativo dentro de la célula implica la utilización de canales iónicos, bombas iónicas y canales iónicos dependientes de voltaje por parte de la célula. ^{[ 7 ]} Sin embargo, el proceso de generación del potencial de reposo dentro de la célula también crea un entorno externo que favorece la despolarización. La bomba de sodio-potasio es en gran parte responsable de la optimización de las condiciones tanto internas como externas de la célula para la despolarización. Esta bomba es una ATPasa que bombea tres iones de sodio fuera de la célula y dos iones de potasio hacia el interior de la célula con cada ATP consumido. ^{[ 8 ]}

Al bombear tres iones de sodio (Na ⁺ ) con carga positiva fuera de la célula por cada dos iones de potasio (K ⁺ ) con carga positiva que se bombean hacia el interior, no solo se establece el potencial de reposo de la célula, ya que el interior de la célula se vuelve menos positivo debido a la carga +1 que se pierde con cada molécula de ATP, sino que también se crea un gradiente de concentración desfavorable al aumentar la concentración de sodio fuera de la célula y la de potasio dentro de ella. ^{[ 9 ]} Mientras hay una cantidad excesiva de potasio dentro de la célula y sodio fuera de ella, el potencial de reposo generado mantiene el cierre de los canales iónicos dependientes de voltaje en la membrana plasmática. Esto no solo impide la difusión de iones bombeados a través de la membrana, sino que también involucra la actividad de los canales de fuga de potasio, lo que permite un eflujo pasivo controlado de iones de potasio, que contribuye al establecimiento del potencial de reposo negativo. ^{[ 10 ]} Además, a pesar de la alta concentración de iones de potasio con carga positiva, la mayoría de las células contienen componentes internos (de carga negativa), que se acumulan para establecer una carga interna negativa.

Una vez que una célula ha establecido un potencial de reposo, tiene la capacidad de despolarizarse. La despolarización es el proceso por el cual el potencial de membrana se vuelve menos negativo, facilitando la generación de un potencial de acción. ^{[ 10 ]} Para que este cambio rápido tenga lugar en el interior de la célula, deben ocurrir varios eventos a lo largo de la membrana plasmática celular.

Mientras la bomba de sodio-potasio continúa funcionando, los canales de sodio y calcio dependientes de voltaje ^{[ 11 ]} que estaban cerrados cuando la célula se encontraba en potencial de reposo se abren en respuesta a un cambio inicial de voltaje. ^{[ 10 ]} Como un cambio en la carga neuronal conduce a la apertura de los canales de sodio dependientes de voltaje, esto resulta en una entrada de iones de sodio a favor de su gradiente electroquímico . Los iones de sodio entran en la célula y aportan una carga positiva al interior celular, causando un cambio en el potencial de membrana de negativo a positivo. La entrada inicial de iones de sodio desencadena la apertura de canales de sodio adicionales ( bucle de retroalimentación positiva ), lo que conduce a una mayor transferencia de iones de sodio al interior de la célula y mantiene el proceso de despolarización hasta que se alcanza el potencial de equilibrio positivo. ^{[ 12 ]}

Los canales de sodio poseen un mecanismo de inactivación inherente que provoca un cierre rápido, incluso cuando la membrana permanece despolarizada. Durante este equilibrio, los canales de sodio entran en un estado inactivado, deteniendo temporalmente la entrada de iones de sodio hasta que el potencial de membrana vuelve a ser negativo. Una vez que el interior de la célula está suficientemente cargado positivamente, la despolarización concluye y los canales se cierran de nuevo. ^{[ 10 ]}

Tras la despolarización de una célula, esta experimenta un último cambio en su carga interna. Después de la despolarización, los canales iónicos de sodio dependientes de voltaje, que habían estado abiertos durante el proceso, se cierran. El aumento de la carga positiva dentro de la célula provoca la apertura de los canales de potasio. Los iones de potasio (K ⁺ ) comienzan a moverse a favor del gradiente electroquímico (a favor del gradiente de concentración y del gradiente eléctrico recién establecido). A medida que el potasio sale de la célula, el potencial intracelular disminuye y se aproxima nuevamente a su potencial de reposo. La bomba de sodio-potasio funciona continuamente durante todo este proceso. ^{[ 13 ]}

Fuente: ^{[ 3 ]}

1. Disparador: una señal excitatoria hace que el potencial de membrana sea menos negativo.
2. Fase ascendente: una vez alcanzado el umbral, se abren los canales de sodio dependientes de voltaje, lo que provoca la entrada de sodio y una rápida despolarización.
3. Pico e inactivación: los canales de sodio se inactivan rápidamente, deteniendo la entrada de sodio incluso si la membrana permanece despolarizada.
4. Repolarización: los canales de potasio dependientes de voltaje se abren, generalmente con un retraso, el potasio sale de la célula y el potencial de membrana regresa al estado de reposo.
5. Hiperpolarización: el potasio puede permanecer elevado brevemente, haciendo que la membrana sea más negativa que en reposo antes de volver a su estado normal.

Los estímulos que reciben las neuronas pueden ser físicos, eléctricos o químicos, y pueden inhibir o excitar la neurona estimulada. Un estímulo inhibitorio se transmite a la dendrita de una neurona, provocando su hiperpolarización . Esta hiperpolarización, tras un estímulo inhibitorio, causa una disminución adicional del voltaje dentro de la neurona por debajo del potencial de reposo. Al hiperpolarizar una neurona, un estímulo inhibitorio genera una mayor carga negativa que debe superarse para que se produzca la despolarización.

Por otro lado, los estímulos de excitación aumentan el voltaje en la neurona, lo que hace que esta sea más fácil de despolarizar que la misma neurona en estado de reposo. Independientemente de si es excitatorio o inhibitorio, el estímulo viaja a través de las dendritas de la neurona hasta el cuerpo celular para su integración.

Una vez que los estímulos llegan al cuerpo celular, la neurona debe integrarlos antes de poder responder. Los estímulos que han viajado a través de las dendritas convergen en el cono axónico , donde se suman para determinar la respuesta neuronal. Si la suma de los estímulos alcanza un voltaje determinado, conocido como potencial umbral , la despolarización continúa desde el cono axónico a lo largo del axón.

El impulso de despolarización que viaja desde el cono axónico hasta el terminal axónico se conoce como potencial de acción . Los potenciales de acción llegan al terminal axónico, donde desencadenan la liberación de neurotransmisores por parte de la neurona. Estos neurotransmisores liberados estimulan otras células, como otras neuronas o células musculares. Después de que un potencial de acción recorre el axón, el potencial de membrana en reposo del axón debe restablecerse antes de que otro potencial de acción pueda viajar a través de él. Este periodo se conoce como periodo de recuperación de la neurona, durante el cual la neurona no puede transmitir otro potencial de acción.

La importancia y versatilidad de la despolarización celular se observa en la relación entre los bastones del ojo y sus neuronas asociadas. En la oscuridad, los bastones se despolarizan. Esta despolarización se mantiene gracias a canales iónicos que permanecen abiertos debido al mayor voltaje de la célula en estado despolarizado. Estos canales permiten el paso libre de calcio y sodio, manteniendo así la despolarización. Los bastones despolarizados liberan constantemente neurotransmisores que, a su vez, estimulan los nervios asociados. Este ciclo se interrumpe al exponerse a la luz; la absorción lumínica provoca el cierre de los canales que facilitaban la entrada de sodio y calcio. Al cerrarse estos canales, los bastones producen menos neurotransmisores, lo que el cerebro percibe como un aumento de la luz. Por lo tanto, en el caso de los bastones y sus neuronas asociadas, la despolarización impide que una señal llegue al cerebro, en lugar de estimular su transmisión. ^{[ 15 ]}